Importanza, composizione e proprietà dell'aria

L'aria è la miscela omogenea di gas che compongono l'atmosfera terrestre. Grazie a lui il processi biologici (come respirare) e cicli biogeochimici (come il ciclo dell'acqua). È l'ambiente in cui si verificano le condizioni meteorologiche ed è costituito da una varietà di elementi e composti chimici.

Composizione percentuale dell'aria

L'aria contiene i seguenti elementi e composti chimici, naturalmente bilanciati per supportare i processi del pianeta:

• Azoto (N₂): 78%
• Ossigeno (O₂): 21%
• Argon (Ar): 0,9%
• Anidride carbonica (CO₂): 0.03%
• L'altro 0,07% è costituito da proporzioni variabili di vapore acqueo (H₂O), idrogeno (H₂), ozono (O₃), metano (CH₄), monossido di carbonio (CO), elio (He), neon (Ne), krypton (Kr) e xeno (Xe).

Importanza dell'ossigeno dell'aria

L'ossigeno è un elemento chimico molto reattivo in grado di essere coinvolto con un'ampia varietà di elementi, come metalli, non metalli e metalloidi. Cosa c'è di più, è essenziale per la respirazione di tutti gli esseri viventi. La sua presenza nell'aria è, quindi, ciò che preserva la vita sul pianeta.

L'ossigeno è il ossidante per eccellenza. Cioè, è la sostanza che preserva le reazioni di combustione. Quando una sostanza che contiene carbonio entra in una reazione di combustione, si combina con l'ossigeno per rilasciare i suoi atomi di carbonio sotto forma di anidride carbonica (CO₂) o monossido di carbonio (CO), a seconda della qualità della reazione.

Importanza dell'azoto nell'aria

78% di azoto (N₂) è vitale, perché è l'elemento responsabile di smorzare la reattività dell'ossigeno. 21% di ossigeno (O₂) è sufficiente per far incendiare tutta la materia combustibile del pianeta. Tuttavia, vi è la presenza di gas azoto (N₂), che è inerte a temperatura atmosferica.

Se la percentuale di ossigeno (O₂) supera il 21%, saremmo persi: tutta la materia organica del pianeta brucerebbe spontaneamente, accompagnata dalla radiazione solare. Lo stesso effetto si avrebbe se la percentuale di azoto (N₂) scenderà dal 78%. È quindi essenziale mantenere l'equilibrio tra queste due componenti dell'aria e prevenire l'inquinamento atmosferico in eccesso.

Reazioni dell'ossigeno

L'ossigeno nell'aria (O₂) è un reagente chimico a disposizione di molte sostanze, in modo che comincino a trasformarsi in altre, che avranno proprietà fisiche e chimiche diverse. Ogni trasformazione sarà descritta con un'equazione chimica. Tra le reazioni a cui partecipa l'ossigeno ci sono:

• Reazioni di combustione
• Reazioni di ossidazione
• Reazioni di sintesi

Nel reazioni di combustione, l'ossigeno si unirà agli atomi di carbonio di una sostanza combustibile, per sprigionare una grande quantità di calore e gas di combustione: anidride carbonica (CO₂) o monossido di carbonio (CO). Oltre a questi prodotti, viene generato vapore acqueo.

Nel reazioni di ossidazione, l'ossigeno si unirà agli atomi degli elementi metallici, in a fenomeno di corrosione chiamato ossidazione. Gli ossidi metallici si formeranno come prodotti.

Nel reazioni di sintesi, l'ossigeno andrà a combinarsi con elementi non metallici per formare i loro rispettivi ossidi, chiamati anche anidridi. Questi sono generalmente gas, come gli ossidi di azoto (NOx), gli ossidi di zolfo (SOx) e sono inquinanti atmosferici.

Esempi di reazioni dell'ossigeno

1.- La combustione del gas metano (CH₄):

CH₄ + (3/2) O₂ -> CO₂ + 2H₂O

2.- La combustione del gas etano (C₂H₆):

C₂H₆ + (7/2) O₂ -> 2CO₂ + 3H₂O

3.- La combustione del gas propano (C₃H₈):

C₃H₈ + 5O₂ -> 3CO₂ + 4H₂O

4.- La combustione del gas butano (C₄H₁₀):

C₄H₁₀ + (13/2) O₂ -> 4CO₂ + 5H₂O

5.- L'ossidazione del ferro metallico (Fe) per formare ossido ferrico:

2Fe + (3/2) O₂ -> Fede₂O₃

6.- L'ossidazione del ferro metallico (Fe) per formare ossido ferroso:

Fe + (1/2) O₂ -> FeO

7.- L'ossidazione del sodio metallico (Na) per formare ossido di sodio (Na₂O):

2Na + (1/2) O₂ -> Na₂O

8.- La sintesi dell'ossido nitrico (NO):

no₂ + O₂ + calore -> 2NO

9.- La sintesi dell'anidride solforosa (SO₂):

S + O₂ + calore -> SO₂

10.- La sintesi dell'anidride solforica (SO₃):

S + (3/2) O₂ + calore -> SO₃

Inquinanti dell'aria

Nonostante gli sforzi del pianeta per bilanciare le concentrazioni dei componenti atmosferici, le attività umane generano un gran numero di sostanze intrusive: gli inquinanti. Gli inquinanti sono specie chimiche che alterano le proprietà dell'aria e le sue funzioni per sostenere la vita. Tra questi ci sono:

• Monossido di carbonio (CO), la cui fonte principale è la combustione incompleta nei motori a combustione interna.
• Anidride solforosa (SO₂), la cui fonte principale sono gli impianti che producono acido solforico.
• Particelle in sospensione, che provengono dalla combustione nei motori. Sono incluse le particelle inferiori a 10 micron (PM10), che possono raggiungere il sistema respiratorio degli esseri viventi e causare malattie.
• Piombo (Pb), la cui fonte principale sono i forni delle fonderie.
• Idrocarburi a catena lunga, che provengono dal petrolio e vengono rilasciati durante la combustione del petrolio.

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• Caratteristiche dell'ossigeno